專利名稱：量化水淬代替油淬的金屬熱處理淬火方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬熱處理淬火方法，該方法通過對水的量化控制調(diào)整水的冷卻特性，使之接近油的冷卻特性，對通常采用油淬處理的金屬實現(xiàn)以水冷代替油冷的熱處理淬火操作。
背景技術(shù)：
通過熱處理淬火提高金屬的性能已經(jīng)有上千年的歷史，至今仍廣泛應(yīng)用。淬火介質(zhì)的冷卻特性對金屬淬火質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，冷卻速度太快，容易使金屬變形開裂，冷卻速度太慢則難以提高金屬的力學(xué)性能。
淬火油是目前應(yīng)用最廣的淬火介質(zhì)，近代熱處理采用的淬火油均為礦物油，它具有閃點高、燃點高、粘度低、不易氧化、熱穩(wěn)定性好、使用壽命長等優(yōu)點，在熱處理生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。
淬火油得到廣泛應(yīng)用是由于淬火油具有優(yōu)良的冷卻特性，油的冷卻特性滿足了大多數(shù)金屬的淬火冷卻要求。淬火油的冷卻速度分布(冷卻特性)較好，產(chǎn)生的淬火變形較小，淬火質(zhì)量較好。采用符合ISO9950國際標(biāo)準(zhǔn)的儀器測得普通淬火油的典型冷卻數(shù)據(jù)如表1所示。
表1普通淬火油冷卻特性數(shù)據(jù)

表中vmax表示最大冷卻速度單位是℃/S，Tvmax表示最大冷卻出現(xiàn)的溫度單位是℃，V300表示300℃時的冷卻速度，單位是℃/S，t600 t400 t200分別代表冷卻至600℃400℃200℃的時間單位是S。
但淬火油成本高，且具有一系列難以克服的缺點淬火工藝的可調(diào)性有限，用單一油淬火冷速不可調(diào)；易燃；易受污染；熱工件淬入會產(chǎn)生油煙，必須采取排除和處理措施等。考慮經(jīng)濟(jì)及安全因素，普通淬火油的使用溫度一般控制在30～80℃，最高不超過120℃。
水是最古老的淬火介質(zhì)，它取用方便，價格低廉，而且物理化學(xué)性能穩(wěn)定，無毒，不燃燒。水的冷卻能力很強(qiáng)，但大多數(shù)的熱處理操作一般不采用純水作為淬火介質(zhì)，其原因是普通水淬時水的冷卻特性不理想，普通水淬時水的冷卻速度分布(冷卻特性)不好，工件淬火易產(chǎn)生變形開裂，一般來講，水在馬氏體形成的低溫區(qū)冷卻激烈，淬火工件產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，易造成變形、開裂等現(xiàn)象。因此純水只適于少數(shù)含碳量不高、淬透性低且形狀簡單的工件淬火。采用ISO9950國際標(biāo)準(zhǔn)測得的室溫水的典型冷卻特性數(shù)據(jù)列于表2。
表2室溫水的冷卻特性數(shù)據(jù)

表中vmax表示最大冷卻速度單位是℃/S，Tvmax表示最大冷卻出現(xiàn)的溫度單位是℃，V300表示300℃時的冷卻速度，單位是℃/S，t600 t400 t200分別代表冷卻至600℃ 400℃200℃的時間單位是S。
以水冷代替油冷的金屬熱處理淬火研究主要集中在開發(fā)水基淬火介質(zhì)方面。為了減少污染、降低成本、消除生產(chǎn)安全隱患，人們一直在努力進(jìn)行著以水冷代油冷的淬火技術(shù)開發(fā)研究，大多開發(fā)研究主要集中在各種水基淬火介質(zhì)的研究應(yīng)用方面，通過在水中加入各種添加成分，使其冷卻特性與油接近。
量化控制以水冷代替油冷的淬火方法更符合環(huán)境保護(hù)的需求，并能有效降低成本。量化控制以水代油的方法通過量化控制調(diào)整純水的淬火冷卻特性，使之接近油的冷卻特性，實現(xiàn)以水冷代替油冷，不含任何可能提高成本、造成新的污染的添加物，符合可持續(xù)發(fā)展的要求，有利于保護(hù)環(huán)境，降低成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種量化控制以水冷代替油冷的金屬熱處理淬火方法，這種新方法在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下較容易實現(xiàn)，能夠有效降低生產(chǎn)成本，減少油淬污染，消除安全隱患，滿足可持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)需要，降低現(xiàn)代熱處理工業(yè)生產(chǎn)對石油及其衍生產(chǎn)品的依賴程度。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的對水和淬火金屬的質(zhì)量比進(jìn)行量化控制，質(zhì)量比K的控制范圍在1～10之間，結(jié)合對水的質(zhì)量控制對水的初始溫度也進(jìn)行控制，水的初始溫度Ts的控制范圍在10℃～100℃。在金屬淬火過程中，水對工件的冷卻過程分為三個階段膜沸騰階段、泡沸騰階段和對流階段。溫度是熱交換的重要參數(shù)，熱金屬浸入水中時，水的初始溫度將影響三個冷卻階段的起始時間，影響傳熱量。因此水的初始溫度影響水對淬火金屬的冷卻速度分布，即影響水的淬火冷卻特性。對水進(jìn)行量化控制調(diào)整其冷卻特性，使之符合通常采用油淬的金屬的熱處理淬火冷卻要求，實現(xiàn)以水冷代替油冷對這些金屬進(jìn)行熱處理淬火操作。本方法是利用常規(guī)淬火時淬火冷卻特性不能滿足金屬淬火冷卻要求的水作為淬火介質(zhì)，通過改變淬火金屬與水的熱交換來改變水的冷卻速度分布，實現(xiàn)對水的冷卻特性的調(diào)整，滿足淬火金屬的冷卻要求，得到較好的淬火效果。
本發(fā)明提供一種量化控制以水冷代替油冷的金屬熱處理淬火方法，是對水進(jìn)行量化控制調(diào)整其冷卻特性，使之接近淬火油的冷卻特性，取代淬火油對金屬進(jìn)行熱處理淬火冷卻。常規(guī)淬火操作時，水與淬火油的冷卻特性有很大的差異，不能以水冷代替油冷進(jìn)行金屬淬火操作。量化控制水淬的條件下，由于建立了不同于常規(guī)淬火的淬火工件與冷卻介質(zhì)的熱交換模型，使水與淬火金屬的熱交換不同于常規(guī)水淬，水的冷卻特性發(fā)生改變，調(diào)整量化控制的相關(guān)參數(shù)，可以使水的冷卻特性向接近淬火油的冷卻特性的方向變化，這種變化雖然不能使水的冷卻特性與油完全一致，但卻較為相似，足以滿足部分金屬以水冷代替油冷的淬火需要。常規(guī)淬火時水、淬火油的冷卻特性和一組量化控制水的冷卻特性數(shù)據(jù)列于表3。顯而易見，量化水淬使水的冷卻特性與普通水淬有了巨大差異，而與淬火油較為接近。
表3常規(guī)水、淬火油和量化水淬時水的冷卻特性

表中vmax表示最大冷卻速度單位是℃/S，Tvmax表示最大冷卻出現(xiàn)的溫度單位是℃，V300表示300℃時的冷卻速度，單位是℃/S，t600 t400 t200分別代表冷卻至600℃400℃200℃的時間單位是S。
本發(fā)明提供一種量化控制以水冷代替油冷的金屬熱處理淬火方法，是對水和淬火金屬的質(zhì)量比進(jìn)行量化控制，質(zhì)量比K的控制范圍在1～10之間。常規(guī)淬火時，淬火介質(zhì)的質(zhì)量要遠(yuǎn)大于淬火金屬的質(zhì)量，淬火介質(zhì)與金屬的熱交換基本上是熱工件與無窮大的恒溫介質(zhì)的傳熱模型，淬火介質(zhì)在金屬淬火前后的溫度變化不明顯。量化水淬則將水與金屬的質(zhì)量比限定在一定數(shù)值范圍，使水的質(zhì)量只是相對多于淬火金屬質(zhì)量，使水與金屬的熱交換模型變?yōu)橐粋€非無窮大恒溫水與熱工件的傳熱模型。在這一模型中，工件的冷卻降溫速度與在無窮大恒溫水模型中明顯不同，隨著工件溫度降低，水的溫度明顯升高，水的運動加劇，改變了水與工件的熱交換程度，導(dǎo)致水對淬火金屬的冷卻速度分布(即冷卻特性)發(fā)生變化。
本發(fā)明提供一種量化控制以水冷代替油冷的金屬熱處理淬火方法，是結(jié)合對水的質(zhì)量控制對水的初始溫度進(jìn)行控制，水的初始溫度Ts的控制范圍在10℃～100℃。在金屬淬火過程中，水對工件的冷卻過程分為三個階段膜沸騰階段、泡沸騰階段和對流階段。溫度是熱交換的重要參數(shù)，熱金屬浸入水中時，水的初始溫度將影響三個冷卻階段的起始時間，影響傳熱量。因此水的初始溫度影響水對淬火金屬的冷卻速度分布，即影響水的淬火冷卻特性。
本發(fā)明具有良好的應(yīng)用性，提供了一種廉價的、易于操作的、符合環(huán)境保護(hù)要求的、安全的熱處理淬火方法，這種方法能夠較方便地在現(xiàn)有熱處理生產(chǎn)條件下應(yīng)用，也可以根據(jù)發(fā)展需要對現(xiàn)有熱處理條件改造后應(yīng)用。本發(fā)明可以降低生產(chǎn)成本、減少污染、消除安全隱患。降低熱處理工業(yè)生產(chǎn)對石油及其衍生產(chǎn)品的依賴，符合可持續(xù)發(fā)展要求。
具體實施例方式
首先，將通常采用油淬的工件所需要的冷卻特性了解清楚，確定其大致的冷卻特性要求。例如有些工件通常采用普通油淬，則其冷卻特性需盡量接近油；再如有些工件采用快速淬火油淬火，或需要在普通油淬時運動、攪拌等，則其所需的冷卻特性是冷速高于普通淬火油。
其次，根據(jù)淬火工件的冷卻特性要求和工件質(zhì)量確定量化水的淬的控制參數(shù)K，即水與淬火工件的質(zhì)量比，需要較慢的(或更接近油的)冷卻速度則選擇較小K數(shù)值，需要較大的冷速，則應(yīng)選擇較大的K值數(shù)值，K值的選擇范圍在1～10。
第三，根據(jù)淬火冷卻特性要求，選擇水的初始溫度Ts。當(dāng)需要較低的冷卻速度時，應(yīng)選擇較高的初始水溫，需要較大的冷卻速度時，應(yīng)選擇較低的初始水溫。水溫Ts的取值范圍在10℃～100℃。
此外，要注意在量化水淬過程中，通過合理選擇水的質(zhì)量與水溫的合理組合來調(diào)整水的冷卻特性。要注意選擇淬火水槽的形狀、大小，使工件淬入后，保證水能均勻包圍淬火工件。
權(quán)利要求
1.一種金屬熱處理淬火方法，其特征在于通過對水進(jìn)行量化控制，使水的冷卻特性接近油的淬火冷卻特性，滿足采用油進(jìn)行淬火處理的金屬的淬火要求，實現(xiàn)以水冷代替油冷進(jìn)行金屬熱處理淬火冷卻，具體為根據(jù)淬火金屬的質(zhì)量和水的質(zhì)量進(jìn)行量化控制，將水與淬火金屬的質(zhì)量比K控制在1～10之間，對水的初始溫度也進(jìn)行控制，這種控制與對水的質(zhì)量控制結(jié)合進(jìn)行，水的初始溫度Ts的控制范圍在10℃～100℃。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金屬熱處理淬火方法，該方法通過對水的量化控制調(diào)整水的冷卻特性，使之接近油的冷卻特性，對通常采用油淬處理的金屬實現(xiàn)以水冷代替油冷的熱處理淬火操作，對水的量化控制是對水與淬火金屬的質(zhì)量比K和水的初始溫度Ts進(jìn)行的控制，水與淬火金屬的質(zhì)量比K的量化控制范圍在1～10之間，水的初始溫度Ts的控制范圍在10℃～100℃，本發(fā)明在現(xiàn)有金屬熱處理條件下較容易實現(xiàn)，能夠有效降低生產(chǎn)成本，減少油淬污染，消除油淬安全隱患，降低熱處理生產(chǎn)對石油及其衍生產(chǎn)品的依賴，凈化生產(chǎn)環(huán)境。
文檔編號C21D1/56GK1667134SQ20051001747
公開日2005年9月14日 申請日期2005年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月30日
發(fā)明者張文勇 申請人:中原工學(xué)院